一種新型光束平漂和角漂實時檢測方法及裝置的製作方法

2023-06-14 19:37:36 4

專利名稱：一種新型光束平漂和角漂實時檢測方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種新型光束角漂和平漂實時檢測方法及裝置，適用於實時檢 測雷射光束的漂移量，尤其適用於高重複頻率雷射的光束漂移檢測，可廣泛應 用於精密或者超精密設備測量、超快雷射物理實驗和雷射核聚變中。
背景技術：
隨著雷射技術的發展，高精度準直光束在光學檢測、雷射測距、空間光通 信等領域中發揮著越來越重要的應用。在中小型高重複頻率雷射裝置中，光束 的空間指向穩定性對超快雷射物理實驗研究非常重要，要求光束的空間指向在 較長時間內保持穩定，以提高實驗的精度。但是雷射器出射光束在傳輸過程中
常會產生漂移，主要表現為^:光束的平漂移、角漂移和隨機漂移，從而嚴重限
制了雷射準直精度的進一步提高。造成雷射光束漂移的原因主要有1)雷射器 諧振腔的溫度變形；2)光束傳播路徑的空氣折射率不均勾及其隨機變化(大氣 湍流等造成)；3)實驗設備震動引起實驗平臺的震動等。為了提高光束的準直
精度， 一般採用漂移量反饋控制系統來減小系統的漂移量。
另外，大型高功率雷射核聚變裝置，如美國的國家點火裝置NIF，日本 GEKK0-12，中國"神光-III"裝置等，為了保證從振蕩器發出雷射束能穩定、 準確地穿過預放大器、主放大器、倍頻器、靶室，並精確地照射到微型靶丸上， 系統也配置了光束自動準直系統。
光束自動準直裝置需要實時準確檢測系統存在的角漂和平漂量，傳統的光 束準直檢測裝置，採用雙成像CCD或者光電探測器分別應用於光束近場和遠場位 置測量。使得其準直裝置結構複雜，佔據空間大、反饋過程遲鈍，不適合測量 高重複頻率雷射的光束漂移。
1998年，英國學者Paul M.Blanchard等人提出了基於散焦光柵的多平面成 像技術，並實驗實現了在同一像平面對多個物平面同時成像。散焦光柵實質上 是離軸的菲涅耳波帶片， 一方面起著普通光柵的稜鏡作用，將入射波前在不同的衍射級上分束；另一方面起著菲涅耳波帶片的透鏡作用，在不同的衍射級上
面引入不同的透鏡作用。散焦光柵和透鏡(透鏡或透鏡組、鏡頭、菲涅耳透鏡) 密接使用，透鏡提供主要的聚焦作用，使得正負衍射級的焦距分別短於和長於
透鏡焦距，可用於實現多平面成像。基於散焦光柵的多平面成像技術已被成功 地用於了波前測量和雷射M2因子測量。

發明內容
為了克服現有技術存在的問題和實現的複雜程度，本發明融合角漂檢測和
平漂檢測於一體，提供了一種簡單而有效的實時檢測入射光束的角漂和平漂的 方法及裝置。本發明利用散焦光柵、短焦透鏡和圖像傳感器結合使用，通過圖
像傳感器測的光斑位置變化情況，分離出入射光束的角漂和平漂信息。可以方 便直觀的反映出各種漂移量變化的大小，為反饋控制系統提供調節依據。該發 明檢測精度高，操作方便，成本低廉。 本發明的技術解決方案是.-
一種新型光束平漂和角漂實時檢測方法，該方法包括下列步驟
① 、新型光束角漂和平漂實時檢測方法，採用散焦光柵、透鏡、圖像傳感 器和計算機等設備，來實時檢測系統存在的角漂和平漂信息。
② 、採用相同工作波長的標準平行光標定檢測系統，圖像傳感器位於透鏡 的焦平面，成像的正負一級光斑大小相同，零級光斑最小。
③ 、將檢測系統置於光路中，調節系統使得入射光束在圖像傳感器上面成 像處各級衍射光斑。
、基於圖像處理的方法，通過閾值法和濾波等處理，採用質心法計算圖 像傳感器上正負一級光斑的質心位置。
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式中x。和y。分別為光斑的質心位置，《、y'和^分別為圖像傳感器單像素/對 應的位置和灰度值。假設入射光束的x方向和少方向上平漂量分別為"和6， x方向和J方向上角 漂量分別為q和&，短焦透鏡焦距為/，散焦光柵等效焦距和離軸量分別為《和
X。，成像傳感器面上的正負一級光斑質心為^'、 、、 "^'、,'。
圖像傳感器位於透鏡的焦平面上當存在角漂和平漂光束入射時，成像光
斑的移動情況如圖2、圖3所示；
1)、當存在平漂的光束入射檢測系統時，系統成像的正負一級光斑向相反
的方向移動，光斑質心之間的距離變大或者縮小。平漂量與成像光斑質心位置
變化之間的關係為
勺/
'2/
兩光斑質心之間的距離為
2僅,2a/" i =了
式中-弋)和^尺'—厶)為正負一級光斑質心之間間距變化，
2)、當角漂光束入射檢測系統時，系統成像的正負一級光斑向相同的方向 移動、光斑之間的距離不變。角漂量與成像光斑質心位置變化之間的關係為
c,力 《/
兩光斑之間距離為.formula see original document page 9
式中&和&為正一級或者負一級光斑質心位置的變化量。 當成像傳感器並非位於透鏡的焦平面上時，當存在角漂和平漂光束入射時，
成像光斑的移動情況如圖2、圖4、圖5所示；
1)、當存在平漂的光束入射檢測系統時，系統成像的正負一級光斑向相反或者相同的方向移動，光斑質心之間的距離變大或者縮小。平漂量與成像光斑 質心位置變化之間的關係為
兩光斑質心之間的距離為
—x ' 二--^ +-
/s ，
式中z為圖像傳感器距離透鏡的距離。
2)、當角漂光束入射檢測系統時，系統成像的正負一級光斑向相同的方向
移動、光斑之間的距離不變。角漂量與成像光斑質心位置變化之間的關係為
Cl艾
^ /
兩光斑之間距離為
乂 g
一
式中-為圖像傳感器距離透鏡的距離。
當圖像傳感器位於散焦光柵和短焦透鏡組合焦距位置之間時，光束漂移信 息和成像光斑位置信息的關係同圖像傳感器位於透鏡焦平面時相似。可採用相
同的方法分離平漂信息。
當圖像傳感器距離透鏡距離大於散焦光柵和短焦透鏡焦距組合焦距時，正負 一級光斑向相同的方向移動，但是兩個光斑的移動幅度不同，根據兩個光斑的
移動距離情況可分離出平漂信息。
⑤、根據採集到的光斑質心位置移動信息，判斷兩個光斑之間x方向和y方
向上間距是否發生了變化，如果發生了變化，說明系統存在平漂，根據正負一 級光斑質心位置的變化情況，求得入射光束的平漂量，如果兩個光斑之間的距離沒有發生變化，說明系統不存在平漂。根據正負一級光斑的整體變化量，求 得入射光束的角漂量。
⑥、當被檢測光束為高重複頻率的脈衝雷射器，可換用具有高幀頻的圖像 採集器件對其迸行檢測。
本發明提供了一種新型光束角漂和平漂實時檢測裝置，包括入射雷射l，散
焦光柵2，透鏡3、圖像傳感器4，計算機5，其中散焦光柵2和短焦透鏡3前 後組合排列在一起，圖像傳感器4位於透鏡3之後，計算機5位於圖像傳感器4 之後。計算機和圖像傳感器用於實時採集和實時分析系統成像的各級光斑。
在本發明中，入射雷射1入射散焦光柵2和透鏡3組合，經散焦光柵和透 鏡衍射分光，成像於圖像傳感器上面，圖像傳感器結合計算機對成像的衍射光 斑進行實時採集和處理，得到入射光束存在的角漂和平漂信息。
散焦光柵可以為一維散焦光柵，將一維散焦光柵正交疊加放置構成二維正 交散焦光柵，也可以採用更多散焦光柵按一定角度疊加放置，構成多為散焦光 柵；可以為振幅型散焦光柵，也可以為相位型散焦光柵；透鏡可以為短焦透鏡、 透鏡組、商業鏡頭、菲涅耳透鏡等；圖像傳感器可以為CCD、 CMOS等器件；可 根據實際測量精度需求，根據漂移量與光斑移動之間的關係，確定光柵的等效 焦距和短焦透鏡焦距選取，光柵各個衍射級的衍射效率，使得成像所需的衍射 級的功率密度近似相同，不需要的衍射級功率密度近似為零。
採用本發明可以達到以下技術效果
1、 本發明提出的實時檢測光束角漂和平漂方法及裝置、簡單易操作，克服 了傳統檢測裝置，採用雙CCD或者光電探測器分別檢測近場平漂和遠場角漂的
複雜性。由於整個系統只使用單圖像傳感器，使其適用性大大提高，採用高幀 頻的圖像採集器件，可應用於高重複頻率雷射光束漂移檢測。
2、 本發明適用範圍廣，可以廣泛應用於化學、固體和光纖等雷射器的準直 檢測，全光學地實現了光束角漂和平漂檢測，對工作環境和儀器設備沒有特殊 要求，不需要複雜的後續數據處理過程，結合高精密的調節設備，釆用計算機閉環控制，可以有效地實現光束的高精度準直。
3、 本發明整個系統的光路容易對準，本系統具有大的視場角。因此只要入 射光束能夠在光柵型波前曲率傳感器的視場角範圍內，就能夠在圖像傳感器上 面探測到。
4、 本發明成本低廉，可採用商業化的產品(菲涅耳透鏡、商業相機鏡頭等， 圖像傳感器CCD， CM0S等)結合散焦光柵組成探測系統。
5、 本系統校準容易，只需要使用標準平行光，使得圖像傳感器上面的正負
一級光斑大小相同即可。


圖1為本發明裝置結構原理圖
圖2是入射光束存在角漂時，正負一級成像光斑位置變化示意圖 圖3是傳感器位於透鏡的焦平面上時入射光束存在平漂時，正負一級成像 光斑位置變化示意圖(z = /)
圖4是傳感器並非位於透鏡的焦平面上時入射光束存在平漂時，正負一級
成像光斑位置變化示意圖(探測面位置1〈"D
/「/
圖5是傳感器並非位於透鏡的焦平面上時入射光束存在平漂時，正負一級
成像光斑位置變化示意圖(探測面位置.，)
力-/
具體實施例方式
整個檢測系統由定標平行光即入射雷射1、散焦光柵2、短焦透鏡3、圖像 傳感器4和計算機5組成，其中散焦光柵2和短焦透鏡3前後排列，圖像傳感 器4位於該組合之後，計算機5位於圖像傳感器4之後。整個系統的工作原理
如圖l所示
其具體的工作過程為
1、採用相同工作波長的標準平行光標定檢測系統，使得圖像傳感器位於透 鏡的焦平面，成像的正負一級光斑大小相同，零級光斑最小。2、將裝置置於光路中，調節系統使得入射雷射在圖像傳感器上面成像出各 級衍射光斑。
4、 基於圖像處理的方法，通過閾值法和濾波等處理，採用質心法計算圖像
傳感器上正負一級光斑的質心位置。
5、 根據採集到的光斑位置移動信息，判斷兩個光斑之間x方向和y方向上
間距是否發生了變化，如果發生了變化，說明系統存在平漂，根據正負一級光 斑質心位置的變化情況，求得入射光束的平漂量，如果兩個光斑之間的距離沒 有發生變化，說明系統不存在平漂。根據正負一級光斑的整體變化量，求得入 射光束的角漂量。可以根據光斑的位移信息和光斑之間的距離信息，先分離檢 測平漂，也可以先分離檢測角漂。
6、 當採用一維散焦光柵時，可根據所成像正負一級光斑質心位置的變化情 況，分離出光束的漂移信息；當採用二維正交散焦光柵或者更高維散焦光柵時， 可根據所成像的對稱光斑的質心位置變化情況，分離出光束的漂移信息；可根 據正負一級光斑的位移情況分離角漂和平漂信息，也可以根據正負三級或者更 高衍射級光斑分離出入射光束的漂移信息；散焦光柵高衍射級與一級衍射級焦
距的關係為
式中"為衍射級次，/ ,為《衍射級的等效焦距，/,為一級衍射級的等效焦距。 平漂量與成像光斑之間的關係也可以表示為
式中《和、為正一或者負一衍射級光斑質心位置變化
權利要求
1、一種新型光束平漂和角漂實時檢測方法及裝置，其特徵在於該方法包含下列步驟①.新型光束角漂和平漂實時檢測方法，採用散焦光柵、透鏡、圖像傳感器和計算機等設備，來實時檢測系統存在的角漂和平漂信息；②.採用相同工作波長的標準平行光標定檢測系統，使得圖像傳感器位於透鏡的焦平面，成像的正負一級光斑大小相同，零級光斑最小；③.將檢測系統置於光路中，調節系統使得入射光束在圖像傳感器上面成像處各級衍射光斑；④.基於圖像處理的方法，通過閾值法和濾波等處理，採用質心法計算圖像傳感器上正負一級光斑的質心位置；<![CDATA[ x 0= x i I i I i , y 0= y i I i I i ]]>式中x0和y0分別為光斑的質心位置，xi、yi和ii分別為圖像傳感器單像素i對應的位置和灰度值；假設入射光束的x方向和y方向上平漂量分別為a和b，x方向和y方向上角漂量分別為c1和c2，透鏡焦距為f，散焦光柵等效焦距和離軸量分別為fg和x0，成像傳感器面上的正負一級光斑質心為x+1、x-1、y+1、y-1；圖像傳感器位於透鏡的焦平面上時，當存在角漂和平漂光束入射時，成像光斑的移動情況如圖2、圖3所示；1)、當存在平漂的光束入射檢測系統時，系統成像的正負一級光斑向相反的方向移動，光斑質心之間的距離變大或者縮小，平漂量與成像光斑質心位置變化之間的關係為a∝δ(x+1-x-1)fg/2fb∝δ(y+1-y-1)fg/2f兩光斑質心之間的距離為<![CDATA[ x +1 - x -1 =- 2f x 0 fg + 2af fg ]]><![CDATA[ y +1 - y -1 = 2bf fg ]]>式中δ(x+1-x-1)和δ(y+1-y-1)為正負一級光斑質心之間間距變化，2)、當角漂光束入射檢測系統時，系統成像的正負一級光斑向相同的方向移動、光斑之間的距離不變。角漂量與成像光斑質心位置變化之間的關係為c1∝δx/fc2∝δy/f兩光斑之間距離為<![CDATA[ | x +1 - x -1 |= 2f x 0 fg ]]>|y+1-y-1|＝0式中δx和δy為正一級或者負一級光斑質心位置的變化量；⑤.根據採集到的光斑質心位置移動信息，判斷兩個光斑之間x方向和y方向上間距是否發生了變化，如果發生了變化，說明系統存在平漂，根據正負一級光斑質心位置的變化情況，求得入射光束的平漂量，如果兩個光斑之間的距離沒有發生變化，說明系統不存在平漂。根據正負一級光斑的整體變化量，求得入射光束的角漂量。
2、根據權利要求l所述的一種新型光束平漂和角漂實時檢測方法及裝置， 其特徵在於該裝置包括入射雷射(1)、散焦光柵(2)、透鏡(3)、圖像傳感 器(4)、計算機(5)，其中其中散焦光柵(2)和短焦透鏡(3)前後排列，圖 像傳感器(4)位於短焦透鏡(3)之後，計算機(5)位於圖像傳感器(4)之 後。兩光斑之間距離為:
3、根據權利要求l所述的一種新型光束平漂和角漂實時檢測方法及裝置，其特徵在於當用標準平行光標定系統時，圖像傳感器所成像的正負一級光斑 大小相同；當該檢測系統應用於反饋控制時，無需得出入射光束漂移的絕對數 值，可不必採用平行光標定系統或者測量圖像傳感器靶面和透鏡之間的距離， 直接根據成像面上的正負一級光斑質心的變化情況，分離出光束漂移信息，反 饋給自動控制系統，減小成像光斑的位置偏移；當成像傳感器並非位於透鏡的 焦平面上時，當存在角漂和平漂的光束入射該系統時，成像光斑的移動情況如 圖2、圖4、圖5所示；1)、當存在平漂的光束入射檢測系統時，系統成像的正負一級光斑向相反 或者相同的方向移動，光斑質心之間的距離變大或者縮小，平漂量與成像光斑質心位置變化之間的關係為formula see original document page 4式中z為圖像傳感器距離透鏡的距離；2)、當角漂光束入射檢測系統時，系統成像的正負一級光斑向相同的方向移動、光斑之間的距離不變。角漂量與成像光斑質心位置變化之間的關係為兩光斑質心之間的距離為:formula see original document page 4兩光斑之間距離為:formula see original document page 4式中-為圖像傳感器距離透鏡的距離；當圖像傳感器位於散焦光柵和短焦透鏡組合焦距位置之間時，光束漂移信 息和成像光斑位置信息的關係同圖像傳感器位於透鏡焦平面時相似；可採用相 同的方法分離平漂信息；當圖像傳感器距離透鏡距離大於散焦光柵和短焦透鏡焦距組合焦距時，正 負一級光斑向相同的方向移動，但是兩個光斑的移動幅度不同，根據兩個光斑 的移動距離情況可分離出平漂信息。
4、根據權利要求l所述的一種新型光束角漂和平漂實時檢測方法及裝置， 其特徵在於當採用一維散焦光柵時，可根據所成像正負一級光斑質心位置的變 化情況，分離出光束的漂移信息；當採用二維正交散焦光柵或者更高維散焦光 柵時，可根據所成像的對稱光斑的質心位置變化情況，分離出光束的漂移信息； 可根據正負一級光斑的位移情況分離角漂和平漂信息，也可以根據正負三級或 者更高衍射級光斑分離出入射光束的漂移信息；散焦光柵高衍射級與一級衍射 級焦距的關係為formula see original document page 5式中w為衍射級次，/ ,為《衍射級的等效焦距，/,為一級衍射級的等效焦距。
5、根據權利要求1所述的一種新型光束角漂和平漂實時檢測方法及裝置， 其特徵在於平漂量與成像光斑之間的關係也可以表示為formula see original document page 5式中《和dy為正一或者負一衍射級光斑質心位置變化量。
6、根據權利要求1所述的一種新型光束角漂和平漂實時檢測方法及裝置， 其特徵在於可以根據光斑的位移信息和光斑之間的距離信息，先分離檢測平漂，也可以先分離檢測角漂。
7、根據權利要求l所述的一種新型光束角漂和平漂實時檢測方法及裝置， 其特徵在於散焦光柵可以為一維散焦光柵，將一維散焦光柵正交疊加放置構成 二維正交散焦光柵，也可以採用更多散焦光柵按一定角度疊加放置，構成多為 散焦光柵；可以為振幅型散焦光柵，也可以為相位型散焦光柵；透鏡可以為短 焦透鏡、透鏡組、商業鏡頭、菲涅耳透鏡等；圖像傳感器可以為CCD、 CMOS等 器件；可根據實際測量精度需求，根據漂移量與光斑移動之間的關係，確定光 柵的等效焦距和短焦透鏡焦距選取，光柵各個衍射級的衍射效率，使得成像所 需的衍射級的功率密度近似相同，不需要的衍射級功率密度近似為零。
全文摘要
本發明涉及一種新型光束角漂和平漂實時檢測方法及裝置。本發明將散焦光柵、透鏡和圖像傳感器結合使用，融合角漂檢測和平漂檢測於一體，通過圖像傳感器測的光斑位置變化情況，分離出入射光束的角漂和平漂信息。本發明根據成像面上所成像的正負一級光斑的相對變化情況，計算機編程計算入射光束的平漂信息，根據整體成像光斑的變化情況分離出光束的角漂信息。本發明具有操作方便、測量精度高、使用範圍廣、成本低廉等優點。
文檔編號G01B11/26GK101614530SQ200910043998
公開日2009年12月30日 申請日期2009年7月29日 優先權日2009年7月29日
發明者習鋒傑, 劉澤金, 吳武明, 樸 周, 姜宗福, 霄 李, 汪曉波, 王小林, 舒柏宏, 許曉軍, 郭少鋒, 陳金寶, 馬浩統, 馬閻星 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學